Ugrás a tartalomhoz

Talajtan

Stefanovits Pál, Filep György, Füleky György

Mezőgazda Kiadó

Talajkolloidok

Talajkolloidok

A kolloidok kisméretű anyagi részecskék. Egyik fő jellemzőjük az, hogy a tömegükhöz képest rendkívül nagy a felületük. A kolloidsajátságokat a részecskék mérete, nem pedig az anyagminőség határozza meg, ezért számos anyagból keletkeznek, illetve előállíthatók.

A kolloidrendszerek a homogén és a heterogén rendszerek közötti átmenetet képviselik. Homogénnek az olyan (egyfázisú) rendszereket tekintjük, melyek – fizikai és kémiai tulajdonságaik tekintetében – makroszkóposan egységesek. Ilyenek pl. a valódi oldatok. A heterogén rendszerek valamilyen szempontból (pl. kémiai összetételben, halmazállapotban stb.) eltérő, makroszkópos kiterjedésű homogén fázisokból állnak.

A kolloidok méretére vonatkozóan éles határokat nem lehet megállapítani, mivel mind a homogén rendszerek felé (pl. a különböző molekulahalmazok), mind a heterogén rendszerek felé (a finom eloszlású szuszpenziók révén) folyamatos az átmenet. Általában az 1–500 nm-t tekintik a kolloidokra jellemző mérettartománynak. A talajokban azonban ennél nagyobb (0,002 mm = 2 μm) szemcseátmérőt fogadtak el felső határnak. Ezt az agyagásványok lemezes szerkezete, s több talajkolloid nagy belső felülete teszi indokolttá.

A kolloidrendszerek csoportosítása

A kolloidokat többféleképpen lehet csoportosítani, pl.: az alakjuk, a részecskék felépítése vagy töltése alapján.

Alaki sajátságok

Aszerint, hogy a részecske a tér egy, kettő vagy három irányában esik-e a kolloid-mérettartományba: lamelláris, fibrilláris és korpuszkuláris kolloidokat különböztetünk meg.

A lamelláris kolloidok olyan vékony lemezek, amelyek mérete a tér egy irányában nem éri el a kolloidméret felső határát. A talajokban ilyen az agyagásványok nagy része (pl. a montmorillonit, kaolinit stb.).

A fibrilláris kolloidok fonál alakúak. A tér egy irányában jelentős a kiterjedésük, a másik két irányban viszont kolloidméretűek. Ide tartoznak a láncmolekulákból álló kolloidok (pl. a humuszkolloidok).

A korpuszkuláris kolloidok a tér mindhárom irányában kolloidméretűek. Gömb, kocka vagy szabálytalan alakúak lehetnek. (Ilyenek a finomeloszlású kvarc-, csillám- vagy földpátszemcsék stb.).

A kolloidrészecskék felületi sajátságai

a)Poláris és apoláris felületű kolloidok.Ha a részecskék felületén ionok, ionizált csoportok vagy poláris molekulák vannak, külső hatás nélkül is elektromos erőterük van, azaz poláris felületű a kolloid. Attól függően, hogy az elektromos erőteret létesítő felületi töltések zömmel negatívak vagy pozitívak-e, a poláris felületek elektronegatív (régebbi elnevezéssel: acidoid), ill. elektropozitív (bazoid) jellegűek lehetnek. A talajkolloidok túlnyomó része (agyagásványok, humuszkolloidok stb.) elektronegatív.

Azokat a kolloidokat, amelyeknek nincs elektromos töltése, apoláris kolloidoknak nevezzük. Ezek jellegzetes képviselői a talajban általában ritkán fordulnak elő.

b) Liofil és liofób kolloidok. Ha a felület a vele érintkező folyadék molekuláit adszorbeálja, ill. a felület nedvesedik, akkor liofil (ha a nedvesítő folyadék víz, akkor hidrofil) a kolloid. Amennyiben a felület egy folyadékban egyáltalán nem vagy rosszul nedvesedik, akkor a kolloid a kérdéses folyadékra nézve liofób.

A talaj kolloidméretű alkotórészei

A talajkolloidokat alapvetően a szervetlen (ásványi) és szerves kolloidok, valamint az ezek kapcsolódásával keletkezett szerves–ásványi komplexkolloidok csoportjába sorolhatjuk.

Ásványi kolloidok

a)Agyagásványok. A primer szilikátok mállása során képződő szekunder ásványok. A talaj agyagfrakciójának legjelentősebb (szubmikrokristályos szerkezetű) komponensei.

b)Kovasavak valamint a Fe- és Al-hidroxidok. Amorf gélek formájában válnak ki. Száraz talajokban kikristályosodnak, így méretük növekszik, s fokozatosan elvesztik kolloidsajátságaikat. Mennyiségük csak intenzív mállásban lévő barna erdő- és egyes réti talajokban számottevő. A kovasavgélek többnyire ortokovasav (H4SiO4), illetve ennek polimerizációjával keletkezett polikovasav-molekulákból állnak.

c)Ásványtörmelékek. A felaprózódott kőzet finom eloszlású, mállásnak ellenálló részei. A talaj agyagfrakciójában elsősorban kvarcpor és csillámpor fordul elő kisebb mennyiségben.

Szerves kolloidok

a)Humuszkolloidok. Különböző molekulatömegű, elágazó láncokból álló óriásmolekulák. Jelentős belső felületük az összegabalyodott molekulaláncok miatt jön létre.

b)Nem humusz jellegű szerves kolloidok. Például a poliszacharidok és a fehérjék. Kolloidsajátságú amorf anyagok. A fehérjék szerepe csak átmeneti, mivel aránylag gyorsan lebomlanak.

A szerves kolloidok rendszerint jóval kisebb mennyiségben találhatók a talajban, mint az ásványi kolloidok, mégis rendkívül jelentősek, mivel a talaj szerkezetének kialakításában, víz- és tápanyag-gazdálkodásában nélkülözhetetlen szerepük van.

Szerves-ásványi kolloidkomplexumok

A talaj szerves és ásványi alkotórészei nem függetlenek egymástól, hanem erősebb vagy lazább kapcsolatban vannak. Így a különböző minőségű kolloidok is egymáshoz tapadva fordulnak elő.

1. Az agyagásványok és a vas- vagy alumínium-hidroxidok egy részét vastagabb vagy vékonyabb humuszhártya veszi körül. A montmorillonit pedig a kristályrács rétegei közötti belső felületen is megköt humuszmolekulákat, s az így megkötött humusz a mikrobiológiai hatásokkal szemben igen ellenálló. A kapcsolódó szerves anyag megváltoztatja az ásványi kolloidok felületi sajátságait.

2. Agyagásványok felületén kovasav, vas-, ill. alumíniumhidroxid-bevonat is képződhet.

Az említett kölcsönhatások eredményeként létrejött, bonyolult összetételű kolloidokat a talaj ásványi–szerves komplexumának vagy (adszorpciós sajátságaik miatt) adszorpciós komplexumnak isnevezik.

A kolloidok fajlagos felülete

Az anyagi rendszerek felaprózottságát, diszperzitásfokát a fajlagos (specifikus) felülettel jellemezhetjük. A fajlagos felület egységnyi tömegű vagy egységnyi térfogatú anyag felülete. Mértékegysége: cm2/g, vagy cm2/cm3.

Az anyag aprózásával rohamosan növekszik az összfelület. A felület nagysága azonban függ a részecskék alakjától is. Ezzel kapcsolatos tájékoztató adatokat mutat a 7.4. táblázat.

7.4. táblázat - Egységnyi térfogatú anyag fajlagos felületének függése a felaprózódás mértékétől és a részecskék alakjától

A részecskék mérete

A felület nagysága (cm2/cm3)

lamellás

fibrilláris

korpuszkuláris

részecskék esetén

10–1 cm (0,1 cm)

2 × 10

4 × 10

6 × 10 cm2

10–3 cm (0,001 cm)

2 × 103

4 × 103

6 × 103 cm2

10–4 cm (1 μm)

2 × 104

4 × 104

12 × 104 = 12 m2

10–7 cm (1 nm = 10 Å)

2 × 107

4 × 107

6 × 107 = 6000 m2


A táblázatból kitűnik, hogy aprózódáskor, a lamelláris kolloidoknál a legkisebb mértékű, a korpuszkuláris részecskéknél pedig a legnagyobb a fajlagos felület növekedése.

Mivel a talajkolloidok fajlagos felületén a víz által hozzáférhető összes felületet értjük, a táguló rétegrácsú agyagásványok (pl. a montmorillonit) fajlagos felülete, azonos szemcseméret és alak esetén is nagyobb, mint a nem (vagy kevésbé) táguló rétegrácsúaké. A montmorillonitnál ui. a vízmolekulák nemcsak a külső felülethez, hanem a rácsrétegek közötti ún. belső felülethez is kötődhetnek. Jelentős belső felülete van a humuszkolloidoknak is.

A talaj fajlagos felülete: néhány m2/g és 500 m2/g közötti lehet. A talajkolloidok közül:

  • a humuszkolloidok fajlagos felülete 800–1000 m2/g, mely túlnyomóan belső felület

  • a montmorillonité és vermikulité 600–800 m2/g, s ennek 80–90%-a a részecskék belső felületéből adódik

  • az illit fajlagos felülete viszont csak mintegy 50–200 m2/g

  • a kaolinité a legkisebb: a szemcsemérettől függően csupán 1–10 m2/g.

Egy-egy kolloidrendszerben a részecskék lehetnek azonos (homodiszperz) vagy különböző méretűek (polidiszperz rendszer). A talaj mindig polidiszperz rendszer.

Elektromos kettős réteg a kolloidok felületén

A talajkolloidok többsége – a talajban uralkodó körülmények között – jórészt negatív töltésű, vagy legalábbis a negatív töltések dominálnak. Ezért első megközelítésben a kolloidrészecskét úgy tekintjük, mintha a felületén csak negatív töltések lennének.

A kolloid magját alkotó agyagásvány vagy szerves kolloid körül szolvátburok alakul ki, amely a dipólusként viselkedő vízmolekulákból és a kolloid töltésével ellentétes töltésű ionokból (főként kationokból) áll. A kolloidmag és a szolvátburok együttese alkotja a kolloidmicellát,a micellák körül pedig az intermicelláris oldat (a talajoldat), helyezkedik el.

A kolloidmag negatív töltésű helyei kötik meg a szolvátréteget és az azzal ellentétes töltésű kationokat. Vizes szuszpenzióban a kolloidok felületén adszorbeált kationok és a folyékony fázis kationjai között dinamikus egyensúly jön létre. Ebből következik, hogy a szolvátréteg ionösszetétele nagymértékben függ a talajoldat koncentrációjától és kation-összetételétől. Egyensúlyi állapotban a szolvátréteg kation-koncentrációja jóval nagyobb, mint a talajoldaté. Minél nagyobb a kolloid kationmegkötő képessége – azonos körülmények között –, annál nagyobb a koncentrációkülönbség a szolvátréteg és a talajoldat között.

Az adszorbeált kationoknak térbeli kiterjedésük van, ezért közvetlenül a részecske felületén kötött kationok száma korlátozott, s nem elegendő a teljes töltés kompenzálásához. Így a felülettől távolabbi helyeken is találhatók adszorbeált kationok, a felülettől távolodva azonban exponenciálisan csökken a koncentrációjuk, az anionkoncentráció pedig növekszik. Bizonyos távolságban a részecske elektromos tere már nincs hatással az ionok eloszlására. Ez a távolság tulajdonképpen a folyékony fázis (talajoldat) határának felel meg, ahol a kationkoncentráció már megegyezik az anion-koncentrációval.

A fentiekből nyilvánvaló, hogy a felülethez közel eső kationok erősebben (nagyobb energiával) kötődnek, mint a távolabbiak. Ezért a felület közelében a részecskék viszonylag nagy koncentrációban és térbelileg rendezetten helyezkednek el (Stern réteg vagy tapadó réteg). – A felülettől távolabb viszont kisebb a vonzóerő, megnövekszik az ionok kinetikus energiája, s az eloszlás kevésbé rendezett lesz (diffúz réteg).

Közvetlenül a kolloid felületén egy erősen kötött s egymással párhuzamosan orientált vízmolekula-réteg van. A nem specifikusan adszorbeált kationok ezen a vízmolekula-rétegen kívül elhelyezkedve alkotják a mozdulatlan ionréteget (tapadó réteg), s ehhez csatlakozik a kettős réteg külső, diffúz része. A Coulomb-erőkkel kötött, nem specifikusan adszorbeált kationok hidrátburka megmarad. Specifikus adszorpció esetén viszont az ion – legalábbis részben – elveszti a hidrátburkot, dehidratálódik (7.2. ábra).

7.2. ábra - Ioneloszlás a kolloidok szolvátrétegében (S = Stern-réteg; D = diffúz réteg)

kepek/7-2-abra.png


Az előzőekből következik, hogy a részecske felülete és a talajoldat között feszültségkülönbség (potenciálkülönbség) van. A feszültségkülönbség a felülettől távolodva – a szolvátréteg kation-koncentrációjának csökkenésével arányosan – kisebb lesz, s a szolvátréteg külső határán „0”-vá válik. Látható, hogy a tapadó rétegben a potenciálesés lineáris, a diffúz rétegben pedig exponenciális.

A diffúz réteg vastagságát az adszorbeált kationok minősége valamint oldatbeli és felületi koncentrációja nagymértékben befolyásolja. Egyébként azonos körülmények között a diffúz réteg annál vékonyabb, minél nagyobb az ellenionok koncentrációja és vegyértéke.

A specifikus és a nem specifikus adszorpció megkülönböztetésére több kutató komplexkémiai definíciókat használ. Az adszorpciót felületi komplex képződésének tekintve, a specifikus adszorpciót (mivel ekkor a megkötött ion a hidrátburkát részben vagy teljesen elveszti) belső szférás komplexnek, a Coulomb-erőkkel kötött, kicserélhető kationok megkötését (amikor az ion belső hidrátszférája megmarad) külső szférás komplexnek is nevezhetjük.

A talajkolloidok töltéshelyeinek kialakulása és a töltések csoportosítása

Aszerint, hogy a negatív töltésű aktív helyek számát, a kolloid töltését befolyásolja-e a talajoldat pH-jának (és koncentrációjának) változása, két töltéstípust; állandó és változó töltéseket különböztetünk meg.

Állandó (permanens) töltések

A 2:1 típusú agyagásványok képződésekor bekövetkező izomorf helyettesítések révén jönnek létre. A montmorillonitnál, az illitnél és a vermikulitnál a töltések zöme így keletkezik. Ezek száma ezért nem függ a közeg kémhatásától, így a részecskék elektromos viselkedését többé-kevésbé függetlenítik az oldat pH-jától (állandó töltésű felületek).

Változó (pH-függő) töltések

A Fe- és Al-hidroxidok, a kovasavgélek és a humuszkolloidok teljes felületén, az agyagásványoknál pedig a töréshelyeken változó (pH-függő) töltések alakulnak ki.

a)Agyagásványoknála részecskék felaprózódásakor a síkhálók szélein (a törésfelületeken), –AlOH- és –SiOH-gyökök keletkeznek.

1. Gyengén savanyú vagy gyengén lúgos közegben (pH 5,5) az –AlOH-csoportok hidrogénionokat (protonokat) tudnak leadni, s a felületen negatív töltéspontok jelennek meg:

]–AlOH pH > 5 , 5 ]–AlO + H + . MathType@MTEF@5@5@+= feaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaebbnrfifHhDYfgasaacH8rrps0l bbf9q8WrFfeuY=Hhcba9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfeaY=biLk VcLq=JHqpepeea0=as0Fb9pgeaYRXxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabiqa ceaacaqabeaabaqaamaaaOqaaiaab2faqaaaaaaaaaWdbiaabobica qGbbGaaeiBaiaab+eacaqGibWaa4anaSqaaiaabchacaqGibacbaGa a8Npaiaa=vdacaWFSaGaa8xnaaqabOGaayjLHaWdaiaab2fapeGaae 4eGiaabgeacaqGSbGaae4tamaaCaaaleqabaGaae4eGaaakiabgUca RiaabIeadaahaaWcbeqaaiabgUcaRaaakiaab6caaaa@45AE@

Az -SiOH-csoportok protonvesztése csak lúgos közegben számottevő.

2. Savanyú kémhatásnál (pH < 5,5) a fenti reakciók visszaszorulnak (csökken a negatív töltéshelyek száma). Ha nagyon savanyú a talaj, előtérbe lép a –AlOH-csoportok H+-megkötése:

]–AlOH + H + pH < 5 , 5 ]–AlOH 2 + . MathType@MTEF@5@5@+= feaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaebbnrfifHhDYfgasaacH8rrps0l bbf9q8WrFfeuY=Hhcba9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfeaY=biLk VcLq=JHqpepeea0=as0Fb9pgeaYRXxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabiqa ceaacaqabeaabaqaamaaaOqaaiaab2faqaaaaaaaaaWdbiaabobica qGbbGaaeiBaiaab+eacaqGibGaey4kaSIaaeisamaaCaaaleqabaGa ey4kaScaaOWaa4anaSqaaiaabchacaqGibGaeyipaWdcbaGaa8xnai aa=XcacaWF1aaabeGccaGLugcapaGaaeyxa8qacaqGtaIaaeyqaiaa bYgacaqGpbGaaeisamaaDaaaleaacaaIYaaabaGaey4kaScaaOGaae Olaaaa@47A6@

Savanyú közegben tehát pozitív töltésű aktív helyek is keletkeznek, s az anionok adszorpciója is lehetővé válik.

Hangsúlyozni kell, hogy az agyagásványok közül, a pH-függő töltések szerepe a kaolonitnél a legnagyobb, a 2:1 típusú agyagásványoknál viszont az izomorf helyettesítésből adódó töltések a döntőek.

b) A kovasavak, a Fe- és Al-hidroxidok töltése

1. A Fe- és Al-hidroxid-gélek felületén a közeg kémhatásától függően vagy a pozitív vagy a negatív töltések dominálnak (amfoter kolloidok). Minden amfoter kolloidra jellemző egy olyan pH-érték, amelynél a részecske kifelé elektromosan semleges. A kolloidok ilyenkor izoelektromos állapotban vannak. Az izoelektromos állapotnak megfelelő pH-értéket az adott kolloid izoelektromos pH-jának vagy izoelektromos pontjának (IEP) nevezzük. Ha a pH > IEP savcsoportok disszociációja (a protonleadás) kerül előtérbe, és a kolloid negatív töltésű lesz, savas tartományban viszont a pozitív töltések jutnak túlsúlyba. A fentieket a 7.3. ábra szemlélteti.

7.3. ábra - A vas- (és alumínium-) hidroxidok töltésének változása a közeg pH-jától függően

kepek/7-3-abra.png


Mivel a felületi Fe3+-és Al3+-ionokat 6 ligandumból álló koordinációs szféra veszi körül, egy-egy ligandummal kialakult kapcsolatra 3/6 = 0,5 pozitív töltés esik. Így a felületi –OH- kapcsolódási helyén kifelé –0,5(= + 0,5–1,0), az –OH2-ligandum esetén pedig + 0,5 (= + 0,5 ± 0) töltés mutatkozik.

A Fe- és Al-hidroxid-gélek kristályosodásukig a kovasavgélekkel keverten találhatók a talajban. A gélkeverékek izoelektromos pontja, a talajokban uralkodó pH-tartományban van, így ezek is amfoter kolloidként viselkednek.

2. Az amorf kovasavgélek az izoelektromos pontjuk fölötti pH-nál szintén H+-ionokat adnak le, s a keletkezett negatív töltések révén képesek fémionokat megkötni. Savanyú közegben pedig pozitív lesz a töltésük.

a) A humuszkolloidok –COOH- és –OH-csoportjai protonleadással negatív töltésű (kation megkötésre képes) helyekké alakulhatnak:

]–COOH ]–COO– + H+; illetve ]–OH– ]–O– + H+ .

Minél lúgosabb a közeg, annál kiterjedtebb ez a reakció. Savanyú kémhatásnál viszont az –NH2, az –NH és a heterociklikus gyűrű N-jének protonfelvétele kerül előtérbe, s így nagy számban keletkeznek: ]–NH+3; ]–NH+2 és  NH+ pozitív töltések, amelyekhez anionok kötődhetnek elektrosztatikus erőkkel.

A humuszkolloidok is amfoter sajátságúak, az izoelektromos pH-juk azonban (a karboxilcsoportok túlsúlya miatt) erősen savanyú tartományban van. Átlagos körülmények között a talaj pH-ja ennél nagyobb, ezért a humuszkolloidok a talajban zömmel negatív töltésűek.

Az előzőek értelmében az amorf gélek és a humuszkolloidok negatív töltéseinek száma (kationmegkötő képessége) a közeg kémhatásától nagyobb mértékben függ, mint az agyagásványoké. Ezt meggyőzően kifejezésre juttatja a 7.4. ábra.

7.4. ábra - A humusz és az agyagkolloidok kationmegkötő képességének (T-értékének) függése a pH-tól

kepek/7-4-abra.png


Az elmondottakból kitűnik, hogy a töltés minősége alapvetően eltérő az állandó és a változó töltésű felületeknél. Bizonyítja ezt a kétféle töltéshelyek protonokkal (ill. H3O+ ionokkal) szembeni viselkedése is. A fémkationokat (a Ca-, Mg-, Na-, K-, Al-ionokat) mindkét töltésfajta elektrosztatikusan, kicserélhető formában köti. Az oldat H+-ionjainak lekötésében azonban jelentős különbség van az állandó és a változó töltések között. A változó töltést hordozó gyökök és a protonok között ui. erős kovalens kötés jön létre (specifikus adszorpció, kemiszorpció), s a megkötött protonok beépülnek a felületbe, így más kationok – adott körülmények között – nem tudják azokat lecserélni.

Az állandó töltésekhez viszont kizárólag H3O+ formájában és (hasonlóan más egy vegyértékű kationokhoz) jóval gyengébben, elektrosztatikus erőkkel kapcsolódhatnak az oldat H+-ionjai. A H3O+-túlsúly és jelentős H3O+ adszorpció viszont nagyobb mértékben csak erősen savanyú közegben várható.

Vegyes töltésű felületek

Mivel a talajban permanens és változó töltésű kolloidok együtt találhatók, a kolloidfrakciót – egységes rendszerként kezelve – vegyes töltésű felületnek tekinthetjük. Az ilyen rendszer – töltésviszonyainak és a felületi reakciók mechanizmusának – értelmezéséhez jól használható a Filepáltal javasolt egyszerűsített kolloidmodell. E szerint a kolloidfelület töltése és kation-összetétele – egy adott állapotban – a következőképpen jellemezhető (v = változó, p = a permanens töltéseket jelöli):

-

a) A talajoldat savanyodásakor, az oldat protonjainak specifikus kötődése miatt, csökken a változó töltések száma, s az általuk kötött fémionok egy része deszorbeálódik (oldatba kerül):

-

Ilyenkor tehát csökken a talaj kationmegkötő képessége és a felülethez kötött fémionok mennyisége.

b) Ha az oldat kémhatása alúgos tartomány felé tolódik el (az OH--ionok nagy protonaffinitásából adódóan) a specifikus kötőhelyekről H+ fog deszorbeálódni, s nő a felület töltése és kationmegkötő képessége. Például:

-